資源簡介

教學設計
課程基本信息
課題 原子的核式結構模型
教學目標
1．了解原子結構模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據。[來源:學. 2．知道粒子散射實驗的實驗方法和實驗現象，及原子核式結構模型的主要內容。 3.通過對原子模型演變歷史的學習，感受科學家們細致、敏銳的科學態度和不畏權威、尊重事實、尊重科學的科學精神。
教學內容
教學重點： 1．引導學生小組自主思考討論：會預設棗糕模型會出現的軌跡，再由粒子散射實驗的結果發現矛盾，從而否定棗糕模型，得出原子的核式結構 2．在教學中滲透和讓學生體會物理學研究方法，滲透物理學方法：模型法 教學難點： 引導學生小組自主思考討論：對ɑ粒子散射實驗的結果分析從而否定棗糕模型，得出原子的核式結構
教學過程
一．引入新課 知識復習——電子的發現 簡單復習上節課的內容： 自從1808年道爾頓提出原子學說，人們都認為原子是組成物質的最小微粒，是不能再分的。 直到1897年，湯姆孫發現了電子（板書）提出了原子是可分割的。電子的發現是人類對物質結構認識上的一次巨大飛躍，是近代物理三大發現之一（X射線 放射性 電子）。湯姆孫也由此榮獲了諾貝爾物理獎，被稱為“電子之父”。 二．新課學習 （一）粒子散射實驗 1.提出問題 電子發現的同時也誕生一個新的問題：通常情況下物質是不帶電的，也就是原子是電中性的，而電子帶負電且質量很小，可見原子內部還有帶正電的部分且具有大部分原子的質量，這些帶正電的部分和帶負電的電子是如何分布的呢？ 這就是我們本節課要學習的內容 2，猜想建模（西瓜模型） 咱們物理學研究中有常用的方法叫模型法。發現電子后，關于原子中正負電荷的分布問題，科學家們提出了許多原子模型，最有影響的模型之一是：湯姆孫提出的一種模型 湯姆孫認為，原子是球體，帶正電的物質均勻地分布于球體內，帶負電的電子一顆一顆地鑲嵌在球內各處的一個個同心環上。 這個模型和我們生活很多物體都很相似。比如梅子布丁、棗糕、西瓜。湯姆孫原子模型因此又被形象的稱為梅子布丁模型、棗糕模型、“西瓜模型”。 因為西瓜模型很符合人們的日常認識，又解釋了原子為什么是電中性的，電子在原子里是怎樣分布的，還解釋了原子為什么發光等等。 一切看似都很完美，1903年出現一個小插曲。勒納德做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現速度較高的電子很容易穿透原子。由此人們想到：難道原子不是一個實心球體嗎？ 3.實驗驗證（粒子散射實驗） 西瓜模型到底對不對呢？我說了不算，你說也不算，科學僅僅有猜想是不夠的，還需要實驗驗證。湯姆孫的原子模型提出后，他的學生盧瑟福就想用實驗的方法來驗證。可是如同這個西瓜，你想知道它內部的結構，怎么辦？ 切開！對，可是由于原子的結構非常緊密，一般的方法無法打開它。盧瑟福想到有效的方法：利用高能粒子去轟擊原子。 為什么選擇粒子？從質量和速度分析 帶正電，電量是電子電量的2倍，質量約是氫原子的4倍，約是電子質量的7300倍。從放射性元素中放射出來的粒子動能很大，射出速度達107m/s，不折不扣的高能粒子。α粒子打到熒光屏上能產生一個閃爍的亮點，可用顯微鏡觀察。 所以 1909～1911年，英國物理學家盧瑟福和他的學生進行了用粒子轟擊金箔的實驗，即 粒子散射實驗。 （2）粒子散射實驗原理： 粒子打在金箔上，由于金原子里的帶電體會產生庫侖力，一些粒子的運動方向會發生改變，就是粒子的散射現象。統計散射到各個方向的粒子所占的比例，就可以推知原子中電荷的分布情況。 （3）粒子散射實驗裝置 圖片展示：粒子散射實驗裝置圖。 放射源：放射物質 放在帶小孔的鉛盒中，能放射粒子。 金 箔：厚度極小，可至1微米（雖然很薄但仍有幾千層原子）。 熒光屏：玻璃片上涂有熒光物質硫化鋅，裝在顯微鏡上。α粒子打到熒光屏上能產生一個閃爍的亮點，可用顯微鏡觀察。 顯微鏡：能夠圍繞金箔在水平面內轉動，在不同偏轉角觀察，可看到α粒子的散射現象。 3.實驗預想 投影出三個問題讓學生先自己思考，師生共同分析，然后讓學生小組討論 預想：如果原子結構是湯姆孫的“西瓜模型”， α粒子穿過“西瓜模型”原子的軌跡是怎樣的呢？ 1.α粒子射入金箔是難免跟電子碰撞，電子的碰撞可能使粒子出現大角度散射嗎？ 2．按照西瓜模型，粒子在原子附近或穿越原子內部后有沒有可能發生大角度偏轉？沿哪個方向前進的可能性較大？ 學生回答： 1．粒子跟電子碰撞過程中，粒子質量是電子質量的7300倍，電子對粒子在速度大小和方向上的影響就像灰塵對槍彈的影響是完全可以忽略的，因此碰撞后質量大的粒子速度幾乎不變。 2．對于粒子在原子附近時由于原子呈中性，與ɑ粒子之間沒有或很小的庫侖力的作用，正電荷在原子內部均勻的分布，粒子穿過原子時，分幾種情況： 從中間不偏，原子間的空隙中過不偏，上邊上偏，下邊下偏， 當粒子穿過原子時，四面八方的正電荷都對它有庫倫斥力，大部分互相抵消，使粒子偏轉的力不會很大 老師總結：可見，粒子這顆重型炮彈轟擊原子時，無論是小小的電子，還是均勻分布的正電荷，都不會使粒子發生大角度偏轉. 即使受到一點阻擋的話，也只是稍微改變一下方向而已。 我們看一段BBC的科普記錄片 實驗主要任務是觀察熒光屏，數粒子數 這個實驗十分的辛苦，如果盯著顯微鏡觀察半小時，有什么感覺？頭暈。 那么當時盧瑟福他們是否也是面臨了身心煎熬，但也要堅持一步步找尋真理 盧瑟福和他的學生觀察了幾個月之久，經過了長期的多角度的觀察，驚奇的事情出現了！他們觀察到了被金箔反彈回來了的粒子。 經過大量的統計，得到實驗現象： ①.絕大多數粒子穿過金箔后仍沿原方向前進； ②少數粒子穿過金箔后發生了較大的偏轉； ③極少數粒子偏轉幾乎達到180°，被金箔彈了回來。 極少數的粒子能夠觀察到的機率是1/8000，即有8000個粒子轟擊金箔，才可能有一個粒子發生大角度偏轉。 采訪學生：此刻的你有什么感想？ 老師總結：這個結果固然讓我們震驚，很是激動，但是我覺得在這個過程中科學家們的鍥而不舍、嚴謹務實的科學態度，更讓我們敬畏。 這個實驗是物理學史上十大最美實驗之一 .矛盾出現 按照“西瓜模型”預想的結果和實驗的真實結果一致嗎？不，解釋不了 思考:既然電子影響不大，那只能是正電荷，均勻分布是不行的。 那你認為原子中的正電荷應如何分布，才有可能造成ɑ粒子的大角度偏轉？ 以及如何用你新的模型解釋三條現象？ 學生討論 引導：不是電子，必為正電物質，但又不時均勻分布，那么質量和電荷量只能集中在很小的空間內。 總結原子特點： 絕大部分是空的，正電體占原子質量絕大部分而只占據很小的空間范圍。 點評：盧瑟福也是這么想的！英雄所見略同！ 老師：此時的盧瑟福既激動，又矛盾：難道湯姆孫的模型是錯誤的嗎？我的老師湯姆孫錯了嗎？當時物理學界的權威啊！如果是你，你會怎么做？ （有前途，下一個盧瑟福） 二次采訪學生感想：如果是你，你會怎么做？ 點評 （有前途，下一個盧瑟福） 老師：虛擬實驗室 微觀演示做了大量的實驗和理論計算后深思熟慮，決定尊重事實 ，大膽的提出了核式結構模型。 5.重新建模（核式結構模型） 為了解釋粒子的散射實驗結果，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結構學說： 在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核高速旋轉。 盧瑟福提出的原子模型中，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。因而這個模型又被稱為“行星模型”。而這個唯美的圖片也已經廣泛出現在科普讀物上，稱為科學的標志。 再次驗證：盧瑟福以這個模型為依據，利用經典力學計算了各個方向 粒子的比例，結果與實驗數據符合的很好。 大家會發現一個很有趣的現象：剛開始我們公認的牛人：電子之父有著重要的貢獻，但是今天所有的教科書都要批評他的西瓜模型。這也告訴我們：曾經正確的科學家也會存在不足，新現象的出現預示著新的理論的形成，也只有新的理論可以解決新問題。科學就是這樣螺旋式前進著，不斷發現未知，不斷完善理論，一步步的走向真理。 二．原子核的電荷和尺度 （一）原子核的帶電量 思考：原子核帶多少正電荷 回答：原子核的電荷數＝電子數＝原子序數＝質子數 （二）原子核的尺度 原子半徑的數量級多大 原子核半徑的數量級多大？ 回答：原子半徑的數量級為10-10m、原子核半徑數量級為10-15m，兩者相差105倍！ 舉例：原子如果相當于直徑約為百米的體育場大小，半徑大約100米，大家找找原子核相當于體育場里的什么呢？ 則原子核的直徑相當于毫米大小的露珠； 三．課后拓展 其實盧瑟福的模型提出后，很多科學家都無法接受，因為電子在庫侖力下繞核運轉，電磁場發生變化，激發出電磁波，就是向外輻射能量。那么能量越來越少，電子軌道半徑減小，最后會撞到原子核上。但事實上很穩定。那么這個矛盾又在呼喚著什么新理論的出現，誰又將繼續完成我們的發現之旅呢？我們下節課繼續…… 四．學生交流 本節課接近尾聲，請同學談談收獲。 五．最后送給大家一段話 密立根曾經說過：科學要靠兩條腿走路，一條是理論，另一條就是實驗。有時候一條腿走在了前面，有時候另外一條腿走在了前面。但是只有兩條腿都使用時，我們才能夠前進……

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